工程水文学课件

第六节土壤水、下渗、地下水教学目标1、能够说出土层中的包气带和饱水带的特点2、能够说出土壤水分的存在形式3、描述下渗的物理过程4、能够陈述径流形成过程5、说出径流表示方法并计算一、土层中的包气带和饱水带土层中的包气带和饱水带

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包气带：指地面与地下潜水面之间的土层，是包含有空气、水、土三相系统，因此，称包气带。这里的水分，水文上称土壤水，水压力P小于大气压，为负压，P＜0。

---饱水带（饱和带）：指地下潜水面下边的土层，土粒间的孔隙完全被水充满，故称饱水带。这里的水在水文上称为地下水，P≥0。二、土壤水分的存在形式土壤水受力分析：分子力：土壤颗粒表面的分子对水分子的吸引力称为分子力毛管力：由土壤中毛管现象引起的力称为毛管力重力：土壤中水分受到的地心引力称为重力二、土壤水分的存在形式按受分子力、毛管力、重力作用的情况分为以下4种形式：

---吸湿水：被分子力紧紧吸附在土粒表面、不能流动、也不能为植物利用的土壤水分。

---薄膜水：被剩余的分子力吸附在吸湿水层外的水膜，这部分水可从薄膜厚的地方缓慢地流到薄膜较薄的地方。

---毛管水：土壤孔隙中被毛管力所吸持的水分，不能在重力作用下流走。(1)毛管上升水。地下水可凭借毛管作用上升进入到土壤孔隙中。这种沿毛管上升的水分称为毛管上升水。毛管水上升的高度与土壤颗粒的大小和土壤结构状况有关，通常在l一5m之间。(2)毛管悬着水。当地面获得降雨或灌溉后，凭借毛管作用而保持在靠近地面的土层中的水分称为毛管悬着水。

---重力水：在重力作用下可以流动的土壤水，是地下水的来源。重力的大小与位置有关，离地心远的地方受到的重力总比离地心近的地方小。三、土壤含水水量与水分常常数土壤含水量是指包气带土壤含含水的多少，常用单位土土壤体积内包包含的水体体体积、或包含含的水体质量量来表示。用某些特征条条件下的土壤壤含水量来反反映土壤水的的变化特性。。这些特征土土壤含水量称称为土壤水分常数数。---最大吸湿水量量：在饱和空气气中，干燥土土粒能够吸附附的最大水量量。---最大分子持水水量：土土粒粒分分子子力力所所结结合合水水分分的的最最大大量量，，薄薄膜膜水水厚厚度度达达最最大大值值。。---凋萎萎含含水水量量（（凋凋萎萎系系数数）：：植植物物根根系系的的吸吸力力约约为为15个大大气气压压，，对对于于土土粒粒吸吸附附的的吸吸力力大大于于该该值值的的水水分分，，植植物物则则无无法法利利用用。。当当土土壤壤水水分分低低于于这这时时的的含含水水量量时时，，植植物物将将缺缺水水而而凋凋萎萎死死亡亡，，该该土土壤壤含含水水量量称称为为凋萎萎含含水水量量。---毛管管断断裂裂含含水水量量：湿湿润润的的土土壤壤逐逐渐渐干干燥燥时时，，毛毛管管悬悬着着水水的的连连续续状状态态开开始始断断裂裂，，此此时时的的土土壤壤含含水水量量称称毛毛管管断断裂裂含含水水量量。。土土壤壤含含水水量量低低于于该该值值后后，，土土壤壤中中的的水水分分只只能能以以水汽和薄薄膜水的形式向向蒸发面面运移。。---田间持水水量：土壤能能够保持持而不在在重力作作用下流流走的最最大含水水量，称称田间持持水量。。这时继继续下渗渗的雨水水，将补补给潜水水，形成成地下径径流。---饱和含水水量：土壤中的的孔隙全全部被水水充满情情况下的的土壤含含水量。。四、下渗渗下渗：降落在地地面上的的雨水从从地表渗入土壤内的的运动过过程。下渗率：：单位时间间通过单单位面积积的土壤壤层面渗渗入到土土壤的水水量称为为下渗率率，常用单位位为mm／min、mm/h等，用f表示。（（下渗现现象的定定量表示示是下渗渗率）。。下渗能力力：在充分供水水条件下下的下渗率率则称为为下渗能能力。（一）下下渗的物物理过程程1.渗润阶段段下渗的水水分主要要受分子力的作用,被土壤颗颗粒吸收收而成薄薄膜水。。当土壤壤含水量量达到最最大分子子持水量量时,分子力不不再起作作用,这一阶段段结束。。2.渗漏阶段段下渗水分分主要在在毛管力、、重力作用下,沿土壤孔孔隙向下下作不稳稳定流动动,并逐步充充填土壤壤孔隙直直至饱和和。3.渗透阶段段当土壤孔孔隙充满满水达到到饱和时时,水分在重力作用下呈呈稳定流流动。（二）下下渗曲线线下渗能力力随时间间的变化化过程线线,称为下下渗能能力曲曲线,简称下下渗曲曲线,并以f（t）~t表示,稳定下下渗率率：随时间间的增增长,下渗水水量越越来越越多,土壤含含水量量也逐逐渐增增大,下渗率率逐渐渐递减减。当土壤壤孔隙隙充满满水,下渗趋趋于稳稳定,此时的的下渗渗率称称为稳定下下渗率率,记为fc。累积下下渗曲曲线累积下下渗曲曲线：：累积积下渗渗量F随时间间的变变化曲曲线。。—下渗能能力Fp——按下渗渗容量量下渗渗自开开始至至r时刻渗渗入土土壤的的总水水量下渗曲曲线和和累积积下渗渗曲线线（三））下渗渗的数数学模模式霍顿(Horton)公式：：根据据均质质单元元土柱柱的下下渗试试验资资料,认为当当降雨雨持续续进行行时,下渗率逐渐渐减小,下渗过程是是一个消退退的过程,消退的速率率与剩余量量成正比。。第六节径径流形成过过程径流形成过过程可概括括为如下的的图式：降降雨过程程→扣除损失→净雨过程→流域汇流→流量过程其其中降雨转化为净雨的过程称产流过程；；净雨转化为河川流量的过程称汇流过程。。（一）产流流过程降雨的损失失：降雨中中不能形成成径流的那那一部分雨雨量植物截留填填洼雨雨期期蒸发初初渗即补补充土壤缺缺水量净雨过程---净雨过程：降雨过过程减去损损失过程，，即得净雨雨过程。净净雨又可可分为地面净雨、、表层流净净雨和地下下净雨，前二项分别别形成从地面汇入入河流的地地面径流和和从地表相相对不透水水层汇入河河流的表层层流，为简简化计算，，还常常将将前二项合合在一起，，仍称地面面净雨；后后者从地下下潜水层汇汇入江河，，形成地下下径流。净雨雨与与径径流流辨辨析析净雨雨和和径径流流在在数数量量上上相相等等。。净雨雨是是径径流流的的过程程，径径流流则则是是净净雨雨汇汇流流的的结果果。净雨雨在在降降雨雨结结束束时时就就停停止止了了，，而而径径流流却却要要延延长长很很长长时时间间。。（二二））汇汇流流过过程程净雨雨沿沿坡坡面面和和坡坡地地汇汇入入河河网网，，称称坡地地汇汇流流，，然后后沿沿河河网网汇汇集集到到流流域域出出口口，称称河河网网汇汇流流。。坡地地汇汇流流超渗渗雨雨满满足足了了填填洼洼后后产产生生的的地地面面净净雨雨沿沿坡坡面面流流到到附附近近河河网网的的过过程程,称为为坡面面漫漫流流。特点点:是由由无无数数股股彼彼此此时时分分时时合合的的细细小小水水流流所所组组成成,通常没有明显显的固定沟槽槽,雨强很大时可可形成片流。。坡面漫流的的流程较短,一般不超过数数百米,历时亦短。表层流径流表层流径流:表层流净雨沿沿坡面侧向表层层土壤孔隙流人河网,形成表层流径流。特点：A、表层流流动动比地面径流流慢,到达河槽也较较迟。B、表层流与地地面径流有时时能相互转化化地下径流和基基流地下径流和基基流:地下净雨向下下渗透到地下下潜水面或深深层地下水体体后,沿水力坡度最最大的方向流流入河网,称为坡地地下径流流。特点：深层地下水汇汇流很慢,所以降雨以后后,地下水流可以以维持很长时时间,较大河流可以以终年不断,是河川的基本本径流,所以常称为基流。河网汇流河网汇流：进进入河网的坡坡地径流，向向流域出口汇集的过程。（三）径流表表示方法与度度量单位1、流量单位时间内通通过河流某一一断面的水量量称为流量，，以m³/s计。可由水文年鉴鉴刊布的流量量资料绘制如如图2-35的流量过程线线。2.径流总量W：指历时T内通过河流某某一断面的径径流总量，以以m3、万m3或亿m3计，按下式计计算:（2-31）式中Q(t)--t时刻流量,m3/s;tl、t2--时段始、末时时刻;T--计算时段,T=t2-t1,s;--计算时段内平平均流量,m3/s。3.径流深R：为将径流总量量W平铺在流域面面积F上的水深，以以mm计:（2-32）式中W--时段T内径流量,d;--计算时段内平平均流量,m3/s;T--计算时段,s;F--流域面积,km2。4.径流模数M：平均单位流域域面积上的流流量，以m³/(s.km²)或L/(s.km²)计:（2-33）随着对Q赋予的不同意意义,径流模数也有有不同的含义义,如Q为洪峰流量量,相应的M为洪峰流量量模数,Q为多年平均均流量,相应的M为多年平均均流量模数数等等。5.径流系数α：表示降雨形形成的径流流量与降雨雨量之比:αα=R/P（2-34）因因R<P,故α<1。例题【例2-1】某水文站流流域面积F=54500km2,多年平均降降雨量F=1650mm,多年平均流流量=1680m3/s。根据这些些资料可算算得:(1)多年平均径径流量。(2)多年平均径径流深。(3)多年平均径径流模数。。(4)多年平均径径流系数。。（四）我国国河川径流流分布概况况我国年径流流分布和年年降水量分分布一样,总的趋势由由南向北和和由东向西西递减;新疆、甘肃肃交界以西西,则由西向东东递减,具有明显的的地域性分分布规律。。年径流的地地理分布我国多年平平均年径流流总量27115亿m3,平均径流深深284mm,即年降水总量量的43·8%转化为河川川径流。按径流深的的大小,可划分为丰水、多水水、过渡、、少水、干干涸五个明显不不同的地带带。1.丰水带年径流深大大于800mm,年径流系数数一般在0.5以上,部分山地超超过0.8。2.多水带年径流深在在200~800mm之间,部分山地年年径流深可可达1000~2000mm。年径流系数数一般为0.4~0.6。3.过渡带年径流深在在50~20Omm之间,此带内平原原地区年径径流深大部部分为50~100mm,年径流系数数0·l左右。山区区年径流深深100~200mm,年径流系0.2~0.4。4.少水带年径流深在在10~50mm之间,本带内平原原地区年径径流深一般般为10~25mm,黄土高原10~50mm,部分山区可可达50mm以上。年径径流系数一一般为0·1左右,个别地区小于0.05。5.干涸带年径流深小小于10mm,本带内不少少地区基本本不产流,年径流系数数只有0·01~0.03年径流的年年内变化径流的年年内变化化主要取取决于河